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未來五年 誰是下一代電池王者
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   新能源汽車的發展是一個系統工程,包括整車的正向研發、“三電”核心技術、輕量化、智能化等很多方面,但是最基礎和最重要的應該是電池技術的突破,它是破解電動汽車里程焦慮、成本過高、性能提升等諸多難題的關鍵要素。因此,電池產業應該走在整個新能源汽車產業創新的最前列。未來的五年內,也就是到2023年左右,動力電芯產品的研發和落地,以及工藝研究方面到底能進展到多大的幅度,值得我們來仔細研究。

  ●中國動力電池市場曾在磷酸鐵鋰路線堅持了較長時間,現已普遍轉向三元鋰的研發生產。
  ●看未來五年,高鎳三元正極+硅碳負極是提升比能量(續航)最可行的方案。
  ●固態電池短期內無法派上用場,預計2025年迎來量產應用的節點。
  ●電池技術每年都有一些逐步的提升,但創新速度可能不及預期。

一、動力電池電芯技術的革新

  從中國新能源汽車推廣示范開始,逐漸形成了磷酸鐵鋰的主體地位,大約從2010年“風靡”到2015年,三元鋰則是后來居上。2015年的新能源汽車市場中,三元鋰和磷酸鐵鋰電池的配套占比還是“三七開”,2016年“四六開”,2017年接近打平,2018上半年三元鋰已經開始反超。

  動力電池從磷酸鐵鋰往三元鋰路線的轉移并不是一蹴而就,如下圖所示,在國內快速轉化之前,國外電池企業已經在電芯化學體系上做了一些變革。之所以給我們“忽如一夜春風來”的感覺,主要還是我們在磷酸鐵鋰的路線上堅持了比較長的時間。當2016年以后普遍轉向三元鋰電芯開發,一下子跟上了日韓的技術路徑。

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『國外典型企業的電芯化學體系路徑演進』

  目前國內三元材料動力電池體系均為鎳鈷錳酸鋰(NCM)。鎳具有提高材料能量密度的作用, 根據三種過渡金屬離子占比不同,分為低鎳的NCM424、NCM333、NCM523和高鎳的NCM622、NCM811等材料。其產業化進程主要是從低鎳的NCM333、523等向高鎳的622、811 方向發展。

  對于整車而言,動力電池有四大關鍵問題需要重點突破:

  ●電芯價格:隨著新能源汽車補貼不斷退坡,未來的電池價格需要繼續往下降。分階段來說,在2021年初,電芯價格需要往下探到0.7元/Wh,約100美金/kWh;到2023年進一步降低到6毛/Wh,約80美金/kWh。

  ●電芯壽命:現有NCM523體系的壽命大概是8到10年左右,重度使用的話耗損更快,預期是把壽命延長到10年。

  ●電芯安全:提高電芯的安全性,改良的做法是逐步優化電解液配方、隔膜等關鍵因素,需要更源頭化的安全機制。

  ●電芯能量密度:補貼政策每年都會給電池能量密度刻畫新的基準線,國家也定下了《汽車產業中長期發展規劃》,到2020年實現電池單體能量密度300Wh/kg。
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  我們重點探討一下電池比能量對電動汽車發展的影響。目前主要的純電動汽車平臺規劃可以分為以下幾個檔次。電池裝載量普遍會從40kWh開始,想要獲取更長續航里程光增加電池是不夠的,電池本身的體積和重量都大,堆積得越多,反而會導致能耗增加續航減少。

面向2020年的動力電池規劃
車型 電池能量 對應續航(NEDC)
緊湊型轎車、SUV 40-50kWh 350-400km
中型轎車、緊湊型SUV 60-70kWh 400-500km
緊湊型SUV、轎車 90-100kWh 500-600km
跑車、大型SUV 110-120kWh >600km


目前主流的電池系統能量密度在140kWh/kg-160kWh/kg之間,續航里程設計已經普遍達到350-400Km。 國內高端電動車型的規劃是在2020年左右,通過電芯設計的優化,往上把續航里程提高到500Km。目前來看國外的大眾MEB平臺、寶馬的iNext系列和奔馳的EQ系列都是規劃了不同的能量密度,通過控制總的電池裝載量來選擇。
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  從主流電池廠商的進展來看,產品迭代速度也分為激進路線和平和路線,需要在滿足安全性、壽命等指標的情況下,綜合考慮能量密度的提升。對于制造同一個大小的電池來說,電池瓦時數高了,每瓦時的制造成本就會降低。根據制造層面環境控制的要求,短期內也有個產線改造的過程。

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『國內外主流電芯的能量密度提升路線』

  目前圓柱型動力電池已率先實現高鎳產品量產,方形、軟包電池突破在即,預計2019年行業將迎來高鎳產品量產的普遍性突破。在其他類型的動力技術突破前,高鎳三元正極產品生命周期預計至少五年。

二、固態電池應用還有多遠?

  從主流電池供應商的反饋來說,未來五年的電芯層面的技術研發可能較快,但是為了符合車輛的要求,實際應用的迭代速度其實并沒有我們想象的更快。因此有部分汽車企業已經在嘗試固態電池,以跨越式的路徑來解決問題。

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  前段時間,大眾宣布向QuantumScape投資約1億美元,目標是在2025年研發并擁有可量產的固態電池。大眾從很多年前開始關注QuantumScape,2014年12月已持有后者5%的股權,如今的1億美元為新增投資,這也說明大眾對于后者的技術實現可能性較為確定。在日本,日本政府、日本電池制造商及本田、日產和豐田三大主要汽車制造商將聯合研發固態鋰離子電池。但是根據幾位大佬的表態來看,時間節點要在2025年后了。

  日產研究與先進工程高級副總裁Takao Asami接受采訪說,2025年前,固態電池技術還沒完善到用于電動汽車中,障礙包括成本和生產難度等,現在基本上都還處于初始研究階段。豐田董事長內山田武也表示:“我們正在努力研究,如果想大規模量產,還有一些問題沒有解決”。這也說明,固態電池在研發層面需要在內部和外部創新公司共同解決,短期內無法派上用處。

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成都愛法納米AlphaNano『車企的固態電池投資面臨著成本、生產工藝等很多現實的難題』

  總結:

  冷靜下來看,近五年的動力電池電芯技術每年都有一些逐步的提升,但考慮到要支撐整個電動汽車的快速普及,電芯層面的創新速度可能不及我們的預期。綜合來看,2020年單純實現300Wh/kg的目標是夠得著的,問題是實現了這個目標是否就表示能用在電動汽車上呢?答案并不確定。汽車動力電池是一個系統工程,滿足比能量要求只是條件之一,其他性能(充放電倍率、功率、壽命、安全性等)也至關重要。在實現高比能量的目標的基礎上,綜合發展、提高其他各項性能指標,還需要投入更多的時間和精力。

 
         
         
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